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ASCE 7-10 風荷重計算の例

ASCEの完全に機能する例 7-10 風荷重計算

SkyCivがリリースした 無料風荷重計算機 ASCEを含むいくつかのコード参照があります 7-10 風荷重手順. このセクションで, 風荷重を計算する方法を示します, 以下のS3D倉庫モデルを使用する:

ASCE 7-10 風荷重計算

図 1. 例としてSkyCivS3Dの倉庫モデル.

ASCE 7-10 風荷重計算

図 2. 立地 (Googleマップから).

テーブル 1. 風の計算に必要な建物データ.

ロケーション コルドバ, メンフィス, テネシー
占有 雑多 – 植物の構造
地形 フラット農地
外形寸法 64 ft× 104 計画中
庇高さ 30 フィート
標高での頂点の高さ. 36 フィート
屋根の傾斜 3:16 (10.62°)
開口部あり
クラッド 2フィート間隔の母屋
2フィート間隔の壁スタッド

私たちのASCEで 7-10 風荷重の例, 大きな風圧を設計する, 3階建てのプラント構造が決定されます. 図. 1 建物の寸法とフレーミングを示しています. 建物データを表に示します 1.

風荷重計算がすでに設計と分析に統合されているソフトウェアはたくさんありますが, この特定のタイプの負荷の詳細な計算を提供するのはごくわずかです。. 結果がソフトウェアから得られたものと同じであるかどうかを確認するために、ユーザーはこの手順の手動計算を実行する必要があります.

設計風圧を決定する式は次のとおりです。:

閉鎖および部分的に閉鎖された建物の場合:

\(p = qG{C}_{p} -{q}_{私}({GC}_{パイ})\) (1)

オープンビル用:

\(p = q{G}_{f}{C}_{p} -{q}({GC}_{パイ})\) (2)

どこ:

\(G ) =突風効果係数
\({C}_{p}\) = 外圧係数
\(({GC}_{パイ})\)=内部圧力係数
\(q ) =速度圧力, PSFで, 式で与えられる:

\(q = 0.00256{K}_{と}{K}_{zt}{K}_{d}V^2) (3)

\(q ) = \({q}_{h}\) 風下壁用, 側壁, と屋根,屋根の平均高さで評価, \(h )
\(q ) = \({q}_{と}\) 風上壁用, 高さで評価, \(z)
\({q}_{私}\) = \({q}_{h}\) 負の内圧の場合, \((-{GC}_{パイ})\) 評価と \({q}_{と}\) 正の内圧評価用 \((+{GC}_{パイ})\) 部分的に囲まれた建物の しかし、とすることができます \({q}_{h}\) 控えめな値.
\({K}_{と}\) =速度圧力係数
\({K}_{zt}\)=地形的要因
\({K}_{d}\)=風向性係数
\(V) = mphでの基本的な風速

以下の各パラメータの詳細を詳しく説明します. しかも, 方向性プロシージャを使用します (章 30 ASCEの 7-10) 設計風圧を解決する上で.

リスクカテゴリー

設計風圧を決定する際に最初に行うことは、構造物の用途または占有に基づいて構造物のリスクカテゴリを分類することです。. この例では, これは植物の構造なので, 構造は次のように分類されます リスクカテゴリーIV. 表を見る 1.5-1 ASCEの 7-10 リスクカテゴリ分類の詳細については.

基本風速, \(V)

ASCE 7-10 位置の対応する基本的な風速を図26.5-1Aから1Cから取得できる風マップを提供します. 占有カテゴリは、国際建築基準で定義および分類されています.

風の地図を見るとき, 定義されたリスクまたは占有カテゴリの最大のカテゴリ番号を取得します. ほとんどの場合, この例を含む, 彼らは同じです. 図26.5-1Bから, コルドバ, メンフィス, テネシーは図の赤い点のどこかに近い 3 未満, そしてそこから, 基本的な風速, \(V), です 120 mph. 他の場所については注意してください, 風のコンター間の基本的な風速値を補間する必要があります.

ASCE 7-10 風荷重計算

図 3. ASCEの基本的な風速マップ 7-10.

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ばく露カテゴリー

セクションを参照 26.7 ASCEの 7-10 ばく露カテゴリーを決定する手順の詳細.

選択した風向によって, 構造の露出は風上45°セクターから決定される. 採用される露出は、上記の方向から最大の風荷重を生み出す露出でなければなりません.

各曝露分類の説明は、セクションに詳述されています。 26.7.2 そして 26.7.3 ASCEの 7-10. それぞれのケースをよりよく説明する, 各カテゴリの例を以下の表に示します。.

テーブル 2. ばく露カテゴリーに従って分類された領域の例 (ASCEのC26章 7-10).

曝露
露出B
  • 主に一戸建ての住居がある郊外の住宅地 – 低層構造, 未満 30 高さ, 写真の中央には、露出bとして指定されたサイトがあり、サイトの周囲の表面粗さカテゴリB地形は、 1500 任意の風向にft.
  • 一軒家以上の大きさの、間隔の狭い障害物が多数ある市街地 – 表示されているすべての構造物, 表面粗さカテゴリbを表す地形は、構造物の高さの20倍以上に及ぶ、または 2600 フィート, どちらか大きい方, 風上方向. 前景の構造物は露出Bにあります – 写真の中央上部、左側のクリアに隣接する構造, およそより大きい 656 長さft, 風がクリアリングの左側から来るとき、露出cに位置しています.
露出C
  • 平らなオープンな草原で、障害物が散在していて、一般的に 30 フィート.
  • 障害物が散在している地形で、一般的に高さは 30 ほとんどの風向でft, 平均屋根高さが1階未満のすべての1階建て構造 30 写真のftは以下です 1500 構造の高さのftまたは10倍, どちらか大きい方, ばく露Bの使用を妨げるオープンフィールドから.
露出D
  • 海岸線の建物 (ハリケーンが発生しやすい地域の海岸線を除く) 風が外水の上を少なくとも一定距離流れている 1 マイル. ばく露Dの海岸線には内陸水路が含まれる, 五大湖, カリフォルニアの沿岸地域, オレゴン, ワシントン, とアラスカ.


私たちの例では, 構造物の場所はコルドバの農地にあるので, メンフィス, テネシー, より高い建物はない 30 フィート, したがって、エリアは次のように分類されます
露出C. 露出カテゴリを決定するのに役立つツールは、衛星画像を通して潜在的なサイトを表示することです (たとえばGoogleマップ).

風向係数, \({K}_{d}\)

風向性要因, \({K}_{d}\), 私たちの構造はどちらも等しい 0.85 建物は主要な耐風システムであり、コンポーネントに取り付けられたクラッディングと構造物があるため. これは表に示されています 26.6-1 ASCEの 7-10 以下の図に示すように 4.

ASCE 7-10 風荷重計算

図 4. 構造タイプに基づく風向係数 (テーブル 26.6-1 ASCEの 7-10).

地形的要因, \({K}_{zt}\)

構造物の場所は平らな農地にあるので, 地形的要因は, \({K}_{zt}\), です 1.0. さもないと, 因子は図を使用して解決できます 26.8-1 ASCEの 7-10. 地形係数をさらに計算する必要があるかどうかを判断するには, セクションを参照 26.8.1, リストされているすべての条件をサイトが満たしていない場合, 次に、地形係数は 1.0.

ASCE 7-10 風荷重計算

図 5. 地形係数の計算に必要なパラメーター, \({K}_{zt}\) (テーブル 26.8-1 ASCEの 7-10).

注意: 地形係数は、次を使用して自動的に計算できます SkyCiv風設計ソフトウェア

速度圧力係数, \({K}_{と}\)

速度圧力係数, \({K}_{と}\), テーブルを使用して計算できます 27.3-1 ASCEの 7-10. このパラメータは、風圧が考慮されるポイントの地上高さによって異なります, および露出カテゴリ. しかも, 表に示されている値は、次の式に基づいています:

15フィートの場合 < \({と}\) < \({と}_{g}\): \({K}_{と} = 2.01(と/{と}_{g})^{2/a}\) (4)
ために \({と}\) < 15フィート: \({K}_{と} = 2.01(15/{と}_{g})^{2/a}\) (5)

どこ:

テーブル 3. の値 そして \({と}_{g}\) テーブルから 26.9-1 ASCEの 7-10.

曝露 a \({と}_{g}\)(フィート)
B 7 1200
C 9.5 900
D 11.5 700


通常, 平均屋根高さでの速度圧力係数, \({K}_{h}\)
, そして各フロアレベルで, \({K}_{日}\), 設計風圧を解決するために必要な値です. この例では, 風上側の風圧は放物線状であるため, 床レベル間の壁に均一な圧力がかかると仮定することで、この負荷を単純化できます。.

プラント構造には3つあります (3) 床, 風上圧力をこれらのレベルに分割します. しかも, 屋根は切妻屋根なので, 屋根の平均高さは、屋根の軒と頂点の標高の平均と見なすことができます, それは 33 フィート.

テーブル 4. 標高ごとの速度圧力係数の計算値.

標高 (フィート) \({K}_{と}\)
10 0.85
20 0.90
30 0.98
33 1.00 \({K}_{zh}\)

速度圧力

方程式から (3), 速度圧力を解くことができます, \(q ) PSFで, 考慮されている各標高で.

テーブル 5. 各標高高さでの速度圧力の計算値.

標高 (フィート) \({K}_{と}\) \(q )(psf) 備考
10 0.85 26.63 1セントフロア
20 0.90 28.20 2二階
30 0.98 30.71 屋根ひさし
33 1.00 31.33 屋根の平均高さ, \({q}_{h}\)

突風効果係数, G

突風効果係数, \(G ), に設定されています 0.85 構造が固定されていると想定されるため (セクション 26.9.1 ASCEの 7-10).

エンクロージャの分類と内圧係数

プラント構造には、セクションの部分的に囲まれた建物の定義を満たす開口部があると想定されています。 26.2 ASCEの 7-10. したがって, 内部圧力係数, \(({GC}_{パイ})\), そうなるでしょう +0.55 そして -0.55 テーブルに基づく 26.11-1 ASCEの 7-10.

ASCE 7-10 風荷重計算

図 6. 内部圧力係数, \(({GC}_{パイ})\), から ASCEの表26.11-1 7-10.

外部圧力係数, \({C}_{p}\)

閉鎖および部分的に閉鎖された建物の場合, 外部圧力係数, \({C}_{p}\), 図で提供される情報を使用して計算されます 27.4-1 図を通して 27.4-3. 切妻屋根の部分的に囲まれた建物の場合, 図を使用 27.4-1.

壁と屋根の外部圧力係数は、建物パラメータLを使用して個別に計算されます, B, およびh, 注で定義されている 7 図の 27.4-1.

したがって, 私たちは計算する必要があります ポンド そして h / L:

屋根の平均高さ, h = 33′
建物の長さ, L = 64′
建物の幅, B = 104′
L / B = 0.615
h / L = 0.516
h / B = 0.317

これらの値から, 外部圧力係数を取得できます, \({C}_{p}\), テーブルを使用して各サーフェスに対して 27.4-1 ASCEの 7-10. 屋根の角度のときに線形補間を使用できることに注意してください, θ, ポンド, そして h / L 値はテーブルにある値の間にあります. 私たちの例では, 各表面の外部圧力係数を表に示します。 6 に 8.

テーブル 6. 壁面の計算された外部圧力係数.

表面 \({C}_{p}\)
風上壁 0.8
風下の壁 -0.5
側壁 -0.7


テーブル 7. 屋根表面の計算された外部圧力係数 (Lに沿った風荷重).

屋根の外部圧力係数 \({C}_{p}\) (Lに沿って)
h / L 風上 風下
10° 10.62° 15° 10° 10.62° 15°
0.5 -0.9
-0.18
-0.88
-0.18
-0.7
-0.18
-0.50 -0.50 -0.50
0.516 -0.91
-0.18
-0.89
-0.18
-0.71
-0.18
-0.51 -0.51 -0.50
1.0 -1.3
-0.18
-1.26
-0.18
-1.0
-0.18
-0.70 -0.69 -0.60


テーブル 8. 屋根表面の計算された外部圧力係数 (Bに沿った風荷重).

屋根の外部圧力係数 \({C}_{p}\) (Bに沿って)
h / B ロケーション \({C}_{p}\)
0.317 0 に h -0.9
-0.18
h / 2h -0.9
-0.18
h2h -0.5
-0.18
>2h -0.3
-0.18


表に示す2つの値を持つ外部圧力係数 7 そして 8 両方のケースをチェックする.

メインウインドフレーム抵抗システムの設計風圧

方程式の使用 (1), 設計風圧を計算できます. 計算結果を表に示します 8 そして 9 未満. を使用して解決された圧力を検討するため、構造に作用する4つのケースがあることに注意してください \((+{GC}_{パイ})\) そして \((-{GC}_{パイ})\) , そしてその \(+{C}_{p}\) そして \(-{C}_{p}\) 屋根用.

テーブル 9. 壁面の風圧を設計する.

設計圧力, \(p ), 壁用
床の高さ \({q}_{と}\), psf 風上 風下 側壁
\((+{GC}_{パイ})\) \((-{GC}_{パイ})\) \((+{GC}_{パイ})\) \((-{GC}_{パイ})\) \((+{GC}_{パイ})\) \((-{GC}_{パイ})\)
10 26.63 0.88 (0.88) 35.35 (35.35) -30.55
(-30.55)
3.92
(3.92)
-35.88
(-35.88)
-1.41
(-1.41)
20 28.20 1.94 (1.94) 36.41 (36.41)
30 30.71 3.65 (3.65) 38.12 (38.12)
33 31.33 4.07 (4.07) 38.54 (38.54)

(SkyCiv風荷重結果)

テーブル 10. 屋根表面の風圧を設計する.

屋根圧力の設計, psf (Lに沿って) 屋根圧力の設計, psf (Bに沿って)
表面 \((+{GC}_{パイ})\) \((-{GC}_{パイ})\) ロケーション
(風上から)
\((+{GC}_{パイ})\) \((-{GC}_{パイ})\)
風上 -40.87 (-40.87) -6.41 (-6.40) 0 に h / 2 -41.20(-41.20) 12.44(12.44)
-22.03 (-22.03) 12.44 (12.44) h / 2h -41.20(-41.20)
風下 -30.71 (-30.71) 3.76 (3.83) h2h -30.55(-30.55)
>2h -25.22(-25.22)

(SkyCiv風荷重結果)

これらの圧力を構造に適用するには, 構造上の単一のフレームを検討します. 適用事例のサンプル 1 そして 2 (両方のための \(({GC}_{パイ})\)) 図に示されています 7 そして 8. 上記の図に示されている風向は、長さに沿っています, L, 建物の.

正の符号は圧力が表面に向かって作用し、負の符号は表面から離れていることを意味することに注意してください. ベイの長さは 26 足.

ASCE 7-10 風荷重計算

図 7. 1つのフレームに適用される設計風圧 – \((+{GC}_{パイ})\) 絶対最大ルーフ圧力ケース.

ASCE 7-10 風荷重計算

図 8. 1つのフレームに適用される設計風圧 – \((-{GC}_{パイ})\) 絶対最大ルーフ圧力ケース.

SkyCivはパラメーターを定義するだけでこの手順を簡素化します. 試す 私たちの SkyCiv Free Wind Tool

コンポーネントとクラッドの風圧を設計する (C&C)

コンポーネントとクラッドはASCEのC26章で定義されています 7-10 なので: 「コンポーネントは風荷重を直接またはクラッドから受け取り、その荷重をMWFRSに転送します」「クラッドは風荷重を直接受け取ります。」 コンポーネントの例には、「ファスナー, 母屋, スタッド, ルーフデッキ, そして屋根のトラス」およびクラッディングのための「壁カバーです, カーテンウォール, 屋根材, 外装窓, 等。"

章から 30 ASCEの 7-10, コンポーネントとクラッドの設計圧力は、次の式を使用して計算されます。 (30.4-1), 下に示された:

\(p = {q}_{h}[({GC}_{p})-({GC}_{パイ})]\) (6)

どこ:

\({q}_{h}\): 平均屋根高さで評価された速度圧力, h (31.33 psf)
\(({GC}_{パイ}\)): 内圧係数
\(({GC}_{p}\)): 外圧係数

この例では, \(({GC}_{p}\)) 図を使用して見つかります 30.4-1 ゾーン用 4 そして 5 (城壁), ゾーンの図30.4-2B 1-3 (屋根). 私たちの場合には, 使用される正しい数値は、 屋根の勾配, θ, これは7度です< θ≤27°. \(({GC}_{p}\)) 図に示されている多数の屋根タイプに対して決定できます 30.4-1 図を通して 30.4-7 と図 27.4-3 章で 30 と章 27 ASCEの 7-10, それぞれ.

棟木と壁の間柱の設計風圧のみを計算します. コンポーネントと被覆圧力のゾーンを図に示します 9.

ASCE 7-10 風荷重計算

図 9. 計算されたCの場所&C圧力.

距離 a エッジからの最小値として計算することができます 10% 最小水平寸法または 0.4h しかし、どちらかよりも少なくない 4% 最小水平寸法または 3 フィート.

a : 10% の64ft = 6.4 フィート > 3フィート
0.4(33フィート) = 13.2 フィート 4% の64ft = 2.56 フィート
a = 6.4 フィート

ウォールスタッド (C&C壁圧力)

図に基づく 30.4-1, の \(({GC}_{p}\)) ゾーンに対して計算できます 4 そして 5 有効風面積に基づく. ASCEのC26章の有効風速域の定義に注意してください。 7-10 と述べている: 「そのような場合の実際の負荷分散をより適切に近似するには, 評価に使用される有効風域の幅 \(({GC}_{p}\)) エリアの長さの3分の1未満である必要はありません。」したがって, 有効風面積は最大:

有効風面積= 10ft *(2フィート) または10フィート*(10/3 フィート) = 20 平方フィート. または 33.3 平方フィート.
有効風面積= 33.3 平方フィート.

正と負 \(({GC}_{p}\)) 壁用 以下のグラフを使用して近似できます, 図の一部として 30.4-1:

ASCE 7-10 風荷重計算

図 10. 概算 \(({GC}_{p}\)) 図の値 30.4-1 ASCEの 7-10.

テーブル 11. 計算されたC&壁間柱のC圧力.

ゾーン \(+({GC}_{p}\)) \(-({GC}_{p}\)) C&C圧力, psf
\(+({GC}_{p}\)) \(-({GC}_{p}\))
4 0.90 -1.0 10.97
45.43
-48.56
-14.10
5 0.90 -1.2 10.97
45.43
-54.83
-20.36

母屋 (C&C屋根圧)

30.4-2Bから, ゾーンの有効な風圧 1, 2, そして 3 決定することができます. トラスの間隔は26フィートなので, したがって, これは母屋の長さになります. 有効な風の面積は、:

有効風面積= 26ft *(2フィート) または26フィート*(26/3 フィート) = 52 フィート2 または 225.33 平方フィート.
有効風面積= 225.33 平方フィート.

正と負 \(({GC}_{p}\)) 屋根用 以下のグラフを使用して近似できます, 図30.4-2Bの一部として:

ASCE 7-10 風荷重計算

図 11. \(({GC}_{p}\)) ASCEの図30.4-2Bの値 7-10.

テーブル 12. 計算されたC&母屋のC圧力.

ゾーン +(GCp) -(GCp) C&C圧力, psf
+(GCパイ) -(GCパイ)
1 0.30 -0.80 -7.83
26.63
-42.30
-7.83
2 0.30 -1.2 -7.83
26.63
-54.83
-20.36
3 0.30 -2.0 -7.83
26.63
-79.89
-45.43

これらの計算はすべて、 SkyCivの風力負荷ソフトウェア ASCE 7-10, 7-16, に 1991, NBBC 2015, とAS 1170. ユーザーはサイトの場所に入力して、風速と地形要素を取得できます, 建物パラメータを入力して風圧を生成する. プロフェッショナルアカウントで, ユーザーはこれを構造モデルに自動適用し、構造解析をすべて1つのソフトウェアで実行できます.

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Patrick Aylsworth Garcia 構造エンジニア, 製品開発
パトリック・エイルスワース・ガルシア
構造エンジニア, 製品開発
MS土木工学
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参考文献:

  • メタ, K. C., & コールボーン, W. L. (2013, 六月). 風荷重: ASCEの風荷重規定へのガイド 7-10. アメリカ土木学会.
  • 建物およびその他の構造物の最小設計荷重. (2013). ASCE / SEI 7-10. アメリカ土木学会.

 

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